중력이라고 하는 것은 두 물체가 서로를 잡아당기는 힘이고, 가속도는 물체에 외력이 작용하면 속도가 변하게 되는 것이라고 쉽게 말할 수 있습니다.
중력에 대한 아인슈타인의 생각
1907년도에 아인슈타인은 여전히 중력 문제로 인해 고민이 많았습니다. 중력을 생각한다면, 만유인력의 법칙을 발견한 뉴턴을 통과하지 않을 수 없었기 때문입니다.
아인슈타인과 뉴턴은 닮은 점이 참 많습니다. 우선 물리학의 중심과는 거리고 먼 곳에서 혼자서 고군분투를 하였습니다.
둘 다 20대의 젊은이였고, 든든한 배경도 없었습니다. 하지만 물리학에 대한 열정은 매우 넘쳤습니다.
모두가 알고 있는 사실대로, 손으로 들어 올린 물건에서 손을 떼면 물건은 아래로 떨어지게 됩니다.
물건이 아래로 떨어지는 것은, 즉 지구 중심 방향으로 향하는 것은 지구와 물건의 질량이 서로를 잡아 당기기 때문입니다.
그렇다면 서로 잡아당기는 힘은 왜 발생하는 것일까요?
뉴턴은 물체가 서로 당기는 힘은 질량과 거리에 따라 서로 달라진다고 하였습니다. 그러나 이에 대해 아인슈타인은 의문을 품게 됩니다.
아인슈타인이 발표한 특수상대성 이론에 의하면 질량과 거리는 관찰자에 따라 달라지게 됩니다.
상황이 이렇기 때문에, 만유인력의 법칙과 특수상대성 이론 중에서 하나는 틀린 이론이 되어 버리는 것입니다.
당연히 젊은 시기의 아인슈타인은 만유인력이 틀렸다고 믿었습니다. 만유인력의 법칙에 무언가 틀린 점이 있을 것이라고 생각을 했습니다.
가속도에 따른 중력
지금 우리가 경험하고 있는 세계는 모두 중력이 작용하는 세계입니다. 그렇다면 중력이 가진 힘의 실체는 무엇일까요?
1907년 어느 날에 아인슈타인은 평소와 같이 중력과 상대성이론에 대해 고민하였습니다. 그런데 갑자기 하나의 생각이 떠올랐다고 합니다.
지금 우리가 아인슈타인이 머릿속으로 상상한 우주 공간에 있다고 가정해보겠습니다.
이곳은 중력의 영향을 받지 않는 무중력 공간입니다. 중력의 영향을 받지 않기 때문에 모든 사물은 공중에 떠있게 됩니다.
하지만 우주선이 속도를 높이게 되면, 즉 가속을 하게 되면 이 무중력의 상태는 변하게 됩니다.
우주선이 계속 가속을 하게 된다면, 우리 몸은 가속하는 반대 방향 벽에 붙어 있게 될 것입니다. 자동차를 가속할 때 몸이 뒤로 쏠리는 것과 같은 이유입니다.
가속을 멈추지 않는다면 우리 몸은 계속 이 상태를 유지할 것입니다. 가속도를 이기려면 힘을 들여 몸을 일으켜 세울 수 밖에 없습니다. 우리가 우주선에서 우주선이 가속하는 방향으로 몸을 세웠다고 해 봅시다.
이런 자세는 사실 우리가 지구 위에 서 있을 때와 같은 것입니다.
결국 가속해서 몸이 아래로 쏠리는 것과 지구가 우리 몸을 잡아 당기는 것, 이 두 상황은 같은 것입니다. 즉 땅에 서 있는 것이 가속하고 있는 우주선에 있는 것과 같은 것입니다.
가속도와 중력이 사라진다면?
가속도와 중력이 없어진다면 어떤 모습일지 상상해 봅시다. 무중력 실험 비행기 안에 있는 사람들은 비행기가 하강하기 시작할 때 공중에 뜨게 됩니다.
뉴턴의 말대로라면 지구의 질량이 사람들을 잡아당겨야 하는데, 그들은 아무런 힘을 받지 않는 것처럼 비행기 안에 둥둥 떠있게 됩니다.
우주선 안의 물체들이 한쪽으로 쏠리는 것은 가속이 진행되는 반대 방향으로 힘을 받았다는 것을 의미합니다. 이것은 그쪽으로 중력을 받았다는 말과 같습니다.
그리고 다른 방향으로 쏠리는 것은 가속이 진행하는 방향이 바뀌었다는 말입니다. 이것은 중력을 받는 방향이 바뀌었다는 말도 됩니다. 둘 다 모두 같은 이야기입니다.
나중에 아인슈타인은 이것이 가장 행복한 생각이었다고 말하게 됩니다. 그건 가속도와 중력이 같은 것이라는 깨달음이었습니다.
중력이 가속도와 같은 것이라면 이제 중력의 문제는 가속도의 문제로 풀면 되기 때문입니다.